3年切1.5吨花菜只为寻找最后的“拼图” 学术资讯

谢国辉在进行蛋白提纯实验前的准备工作。南方科技大学供图

来源：中国科学报

■本报记者刁雯蕙实习生卜金婷

“又不见了！蛋白到底去哪儿了？”凌晨两点，实验室里传来谢国辉崩溃的声音。

3年来，这样的场景时常上演。谢国辉数不清自己经历了多少次失败。好在所有付出终于得到了一个满意的结果。

近日，南方科技大学博士生谢国辉以共同第一作者的身份，收获了人生中第一篇发表在《科学》的论文。这项研究解析了最后一种结构未知的真核RNA聚合酶——Pol V的功能机制，提出了其通过滞留在染色质上而招募下游作用因子引起DNA甲基化和基因沉默的工作模型。

审稿人认为，该研究找到了解析真核生物RNA聚合酶分子结构的最后一块“拼图”。

揭开Pol V结构的面纱

2019年5月，谢国辉作为科研助理进入南方科技大学教授杜嘉木课题组，开始结构生物学研究。那时的他对这个领域一知半解。

“我之前是研究植物病理的，在蛋白纯化和结构解析方面是个‘小白’。幸运的是我遇到了一群良师益友。”谢国辉告诉《中国科学报》。

他面临着一项怎样的研究呢？

植物在不同环境、生长不同阶段都会对自身基因进行表达调控，某些时候会把一些基因沉默掉，促进另外一些基因的表达，以此适应生长环境。例如在旱灾的时候，植物会调控自身某些基因，减少水分蒸发或者不再继续长高，以此应对干旱。

DNA甲基化就是一种重要的基因表达调控方式，这是杜嘉木课题组的主要研究方向。植物中DNA甲基化需要一个非常特殊的RNA聚合酶——Pol V的参与。与常规的RNA聚合酶合成RNA不同，Pol V不仅要合成RNA，还要停留在染色质上为其他因子提供“定位”，因此是一个既要动（合成RNA）又不能动（停留在染色质上）的矛盾体。

“所以大家一直很疑惑Pol V到底怎么发挥功能的，想要进行更细致的研究就需要开展Pol V的结构测定工作，这是进课题组后导师交给我的第一个课题。”谢国辉说。

当时，导师让谢国辉与博士胡泓淼一起摸索，揭开Pol V结构的面纱。

谁承想，这一摸索就是3年多。其间，谢国辉转换了身份，于2021年攻读博士学位，手上的这项研究，分量更加沉重。

“我在一次次失败与崩溃中不断总结经验，靠着极其微量的样品外加想象，一点点摸索出复合物的性质，最终成功达成电镜数据收集与结构解析。”谢国辉说。

2022年12月5日，谢国辉等人怀着忐忑的心情将稿件投出，很快便收到了审稿人的意见。3位审稿人的意见十分积极，认为谢国辉等人的研究找到了解析真核生物RNA聚合酶分子结构的最后一块“拼图”。

实验室里的“花菜杀手”

一将功成万“菜”枯。谈起这篇论文，不得不讲讲那些“逝去的花菜”。

打开手机订单页面，谢国辉数了一下这3年里到底用了多少花菜，结果让他大吃一惊——整整用了1.5吨花菜！

为什么选择花菜作为实验材料？谢国辉告诉《中国科学报》：“我们研究的Pol V在植物中含量极低，提纯难度大，这给前期研究带来了极大的挑战。在一次学术交流中，中国科学院院士曹晓风提到可以使用花菜提纯蛋白，这给了我们极大的启发。”

要想提取花菜蛋白，首先要将花菜的花削下来，用液氮冷冻后研磨成粉，加入细胞核提取液，再将细胞核提取出来，并进行蛋白复合物的提取纯化。但该方法纯化出来的Pol V微乎其微。

“10公斤花菜往往只能提取60克细胞核，再从这60克细胞核中提取蛋白，最后提出来的蛋白也就3微克左右。”谢国辉说，更令人抓狂的是，很多时候拿到细胞核提取物进行纯化后，根本鉴定不到蛋白质，“我们每一步都会检测，可以看到最开始是有Pol V蛋白的，然后随着不断纯化，蛋白可能在某一步骤突然不见了，这是令我们最头痛的时候，因为影响因素有很多，需要逐个排查”。

3年来，谢国辉等人重复了上百次蛋白提纯实验。在前两年里，谢国辉每隔一周就要切几十公斤花菜，他将提取到的细胞核冻存在冰箱里，做实验时就从里面取一部分出来。为此，谢国辉还收获了有趣的外号——“花菜杀手”。

“我本来就不爱吃花菜，这下子彻底不吃了，但是每次和同学一起去聚餐，他们都会点一份干锅花菜放到我面前。”谢国辉回忆起同门聚餐的场景，不禁笑了起来。

经历了两年多与花菜“斗智斗勇”的日子，谢国辉等人终于获得了一株可以顺利提取蛋白的抗体，摸索出了合适的蛋白提取纯化条件，从而获得了足够的蛋白，但他们又迎来另外一个难题。

“一开始我们觉得只要蛋白提取出来，接下来的实验会更容易。但真正拿到蛋白后，我们发现它与其他聚合酶的性质不太一样，蛋白一旦多了就聚在一起，根本不适合电镜数据收集，更别说解析结构了。”谢国辉说。

于是，谢国辉与正在深圳大学进行博士后研究的杜璇合作，在经过近5个月的调试之后，终于将聚合的蛋白转变为独立的颗粒。

做科研要有内驱力

连续做十七八个小时的实验对谢国辉来说是常态。从白天到黑夜，他几乎见过了每一个时刻的学校。

事实上，做基础研究，在实验中常常会遇到难以克服的事。庆幸的是，谢国辉遇到了好的科研领路人——杜嘉木。

“在实验设计与实验结果分析方面，杜老师给了我很多帮助和指导。”谢国辉说。

在蛋白纯化最不顺利的那段日子里，大概有两周多的时间，谢国辉与胡泓淼都没有去做实验。“我们相互鼓励，重新回看实验记录本，查漏补缺，不断进行探索，同时向导师和同学请教，他们的经验给了我很大的启发。”

在谢国辉看来，他能以第一作者身份在《科学》发表论文，除了有运气成分之外，更重要的是做科研的内驱力。“做实验虽然会遇到很多失败的时候，但办法总比困难多，或许正是这股不甘于失败的驱动力，让我在漫漫科研路中坚持下来。”谢国辉说。

谈及未来规划，谢国辉说：“现在的成果使得我再一次坚定了科研信念，我希望能继续前行。”